¿Qué es un líquido de espín cuántico?, te estarás preguntando. Uno de los grandes desafíos de estudiar un líquido de espín cuántico (QSL) es que no deja huellas visibles como otros estados de la materia. No hay estructuras cristalinas claras, ni ordenamientos magnéticos que se puedan observar con microscopios comunes. Por eso, se requieren métodos extremadamente sensibles, como la dispersión de neutrones polarizados.
En un estudio reciente, el equipo liderado por Rice University y la Universidad Tecnológica de Viena ha empleado esta técnica para analizar cómo interactúan los neutrones con los espines del material. Gracias a esto, lograron separar las señales magnéticas del resto de interferencias, incluso a temperaturas cercanas al cero absoluto. De ese modo, detectaron una de las marcas más importantes del estado de QSL: los fotones emergentes. Se trata de ondas colectivas que, aunque no son luz en el sentido convencional, se comportan como si lo fueran. “Las mediciones concuerdan exactamente con las predicciones teóricas en términos de energía, impulso y polarización”, indica Silke Bühler-Paschen, coautora del trabajo.
Qué es un líquido de espín cuántico y por qué es tan especial
En la mayoría de los materiales magnéticos, los espines de los electrones (una propiedad cuántica asociada al momento magnético) tienden a alinearse en patrones organizados cuando se enfrían. Es decir, adquieren lo que se llama orden magnético, como en el caso de los imanes de nevera. Sin embargo, en un líquido de espín cuántico (QSL, por sus siglas en inglés), esto no sucede. Aunque se enfríe hasta casi el cero absoluto, los espines nunca se ordenan. En lugar de ello, entran en un estado de entrelazamiento cuántico constante, sin patrón fijo, como una especie de “líquido magnético”.
Este comportamiento fue propuesto en 1973 por el físico Philip W. Anderson, quien lo describió como un estado cuántico en el que los espines forman pares (singletes) que se reconfiguran constantemente, sin llegar a un patrón estable. Desde entonces, los QSL se convirtieron en una especie de santo grial para los físicos de materiales, por su potencial en áreas como la computación cuántica, el almacenamiento de información o la superconductividad.
Lo más sorprendente es que los líquidos de espín cuántico no solo son desordenados, sino que también muestran excitaciones fraccionalizadas, como los espinones, y fenómenos emergentes que imitan las leyes del electromagnetismo.
Cómo se detecta algo que no se puede ver directamente
Uno de los grandes desafíos de estudiar un líquido de espín cuántico es que no deja huellas visibles como otros estados de la materia. No hay estructuras cristalinas claras, ni ordenamientos magnéticos que se puedan observar con microscopios comunes. Por eso, se requieren métodos extremadamente sensibles, como la dispersión de neutrones polarizados.
En el estudio reciente, el equipo liderado por Rice University y la Universidad Tecnológica de Viena empleó esta técnica para analizar cómo interactúan los neutrones con los espines del material. Gracias a esto, lograron separar las señales magnéticas del resto de interferencias, incluso a temperaturas cercanas al cero absoluto. De ese modo, detectaron una de las marcas más importantes del estado de QSL: los fotones emergentes. Se trata de ondas colectivas que, aunque no son luz en el sentido convencional, se comportan como si lo fueran. “Las mediciones concuerdan exactamente con las predicciones teóricas en términos de energía, impulso y polarización”, indica Silke Bühler-Paschen, coautora del trabajo.
Un material clave: el Ce₂Zr₂O₇
El compuesto elegido por el equipo fue el óxido de cerio y circonio (Ce₂Zr₂O₇), una estructura conocida como “hielo de espín cuántico“, una forma tridimensional del QSL. A diferencia de muchos intentos previos que se centraron en materiales bidimensionales, este presenta una red tridimensional de espines que mantiene su desorden magnético incluso a 20 milikelvin (es decir, 0,02 grados sobre el cero absoluto).
Este material permitió, por primera vez, observar fotones emergentes y espinones en un sistema real, una combinación que muchos consideraban casi imposible de detectar con claridad. “Esto confirma que Ce₂Zr₂O₇ se comporta como un verdadero hielo de espín cuántico, una clase especial de líquidos de espín cuántico en tres dimensiones”, explica Pengcheng Dai.
Qué implica esto para la ciencia y la tecnología
Este descubrimiento resuelve un debate abierto en la física de la materia condensada y podría cambiar nuestra visión sobre ciertos materiales. Durante años, los QSL fueron considerados interesantes desde el punto de vista teórico, pero poco útiles a nivel práctico por la dificultad de encontrarlos y manipularlos. Con esta nueva evidencia, se abre la posibilidad de crear y controlar materiales con propiedades cuánticas avanzadas.
Además, los líquidos de espín cuántico tienen el potencial de ser la base de sistemas de computación cuántica resistentes a errores, gracias a su entrelazamiento cuántico robusto y persistente. También podrían servir para desarrollar tecnologías de transmisión de energía sin pérdidas por calor, algo que hoy solo se consigue en condiciones muy específicas y con materiales superconductores.
El estudio es un paso firme hacia una nueva generación de materiales cuánticamente diseñados, que no siguen las reglas tradicionales de la física del estado sólido. Como dice Bin Gao, primer autor del artículo, “este resultado sorprendente anima a los científicos a explorar más a fondo estos materiales únicos”.
Lo que tienes que saber del líquido de espín cuántico
- Es un estado cuántico sin orden magnético, donde los espines de los electrones permanecen en constante fluctuación, incluso a temperaturas cercanas al cero absoluto.
- Fue propuesto por primera vez en 1973 por el físico Philip W. Anderson como una posible fase de la materia en redes magnéticas frustradas.
- No se comporta como un imán convencional. En lugar de alinearse, los espines se entrelazan cuánticamente en una especie de “desorden ordenado”.
- Puede presentar excitaciones fraccionalizadas, como los espinones, y fenómenos emergentes como fotones sin luz, que simulan comportamientos electromagnéticos.
- Es extremadamente difícil de detectar. No hay patrones visibles, por lo que se necesitan técnicas avanzadas como la dispersión de neutrones polarizados.
- El nuevo estudio confirma experimentalmente un líquido de espín cuántico tridimensional, algo que nunca se había logrado con tanta claridad.
- El material clave fue Ce₂Zr₂O₇, un compuesto cristalino que mantiene su comportamiento cuántico incluso a 20 milikelvin.
- El hallazgo se publicó en la revista Nature Physics, lo que le da alta credibilidad dentro de la comunidad científica.
Referencias
- Bin Gao, Félix Desrochers, David Tam, Silke Paschen, Diana Kirschbaum, Duy Ha Nguyen, Paul Steffens, Arno Hiess, Yixi Su, Sang-Wook Cheong, Yong Baek Kim, Pengcheng Dai. Neutron scattering and thermodynamic evidence for emergent photons and fractionalization in a pyrochlore spin ice. Nature Physics (2025). DOI: https://www.nature.com/articles/s41567-025-02922-9.
Cortesía de Muy Interesante
Dejanos un comentario: